(水利工程)水利动能计算精编

（水利工程）水利动能计算

FCD14020

FCD

水利水电工程初步设计阶段 水利动能设计大纲范本

水利水电勘测设计标准化信息网

1997年8月

水电站技术设计阶段

水利动能设计大纲

主编单位: 主编单位总工程师: 参编单位: 主要编写人员: 软件开发单位: 软件编写人员:

勘测设计研究院

年 月

目次

1. 引言4

2. 设计依据文件和规范4 3. 设计基本资料4 4. 水利水能计算6 5. 洪水调节计算8 6. 电力电量平衡10 7. 正常蓄水位选择11 8. 死水位选择12 9. 装机容量选择13 10. 应提供的设计成果15

1引言

工程位于 ，是以 为主， 等综合利用的水利水电枢纽工程。正常蓄水位 m，最大， m，死水位 m，总库容 m3，调节库容 m3，电站总装机容量 MW，年发电量 kWh。灌溉面积 km2。通航 t级船队(舶)。

本工程可行性研究报告于 年 月审查通过，选定坝址为 。

2设计依据文件和规范

2.1有关工程主要文件

(1) 工程可行性研究报告； (2) 工程可行性研究报告审批文件； (3) 工程初步设计任务书； (4)有关部门的协议文件。 2.2主要设计规范

(1)DL5021－93水利水电工程初步设计报告编制规程； (2)DL/T5015－1996水利水电工程动能设计规范； (3)水电建设项目经济评价实施细则； (4)SL72－94水利建设项目经济评价规范；

(5)SDJ12－78水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(山 区、丘陵区部分)(试行)及补充规定；

(6)SDJ217－87水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(平

原、滨海部分)(试行)；

(7)水电建设项目财务评价暂行规定(试行)； (8)建设项目经济评价方法和参数(第二版)。

3设计基本资料

3.1水文资料

(1)径流资料。 提示：(1)无调节或日调节水电站采用逐日平均流量，年、季调节之上的水电站采用历年逐月的平均流量资料，必要时汛期或河道流浚至封冻时期需采用旬、日的流量资料。 (2)当上游有水库调节或工农业用水时，需将实测径流仍原为天然径流，扣除设计水平年上游工农业用水且计入回归水，求出设计径流。当上游在设计水平年有调节能力大的水库投入时，应考虑其对设计径流的影响。

(2)水库水位和库容、面积关系曲线。 提示:(1)原始库容、面积曲线壹般由(110000)库区地形图量算而得；不同淤积水平年的库容曲线和面积曲线由水库泥沙专业人员提供； (2)在多沙河流上且要考虑不同时期水库泥沙淤积对原始库容面积曲线的影响所引起的变化。

(3)水库蒸发、渗漏损失。 (4)下游水位和流量关系曲线。

(5)综合利用各部门用水过程线(发电除外)。 提示:应分为坝上取水和坝下取水俩部分。

(6)洪水资料：各种频率的洪峰流量及洪水过程线。 (7)永久泄洪建筑物及其泄流曲线。 3.2社会调查资料 3.2.1地区社会经济概况

收集工程影响地区的社会经济现状和发展规划资料，包括人口、土地、矿产、水资源、能源等以及自然灾害、工农业生产、交通运输业状况及发展规划。 3.2.2电力发展的要求

3.2.2.1收集电力系统现状及发展规划资料：

(1)负荷资料：负荷现状及发展资料的负荷特性，各负荷水平年的各月最大负荷、平均负荷和典型日负荷曲线；

(2)电源资料：主要包括现有、在建和拟建的各类电站的地区分布、装机规模、运行特性(各月出力、调峰能力、煤耗曲线等)、发电经济指标以及待建电站的投资、年运行费等；

(3)电网资料：主要有网络结构及其发展、供电经济指标、新建输电线路的投资及费用等。

3.2.3综合利用要求

(1)防洪：防护对象、现有设施及其标准，对本工程的要求；

(2)灌溉：灌区范围：面积、保证率、用水量及年内分配、取水地点、取水方式和高程； (3)城镇和工业供水：供水现状和规划需水量、保证率、年引水量及过程线，取水口位置和高程；

(4)航运及过木：航道及货运量现状和规划、通航季节、船舶规模、吃水深度以及对流量、水位的要求；

(5)其它：渔业、旅游、环境保护等要求。

4水利水能计算

4.1选择发电保证率和设计代表年 4.1.1选择发电设计保证率 提示:(1)根据系统中的水电容量比重、水电站的规模和在电力系统中的任务和作用以及径流特性、水库调节性能、系统负荷特性等参照下表按水电站群统壹选用。 水电站设计保证率表 电力系统中水电容量的比重，% <25 25～50 >50 水电站设计保证率，% 80～90 90～95 95～98 (2)选择设计保证率时，应以保证率以外特枯水年水电站(群)的不足出力能够用系统中火电站全部事故备用容量的50%弥补为限，否则须提高设计保证率； (3)年或多年调节水库通常采用年保证率，季调节和径流式电站则采用历时保证率。 4.1.2选择设计代表年 提示:(1)能够用丰、平、枯三个代表年或用丰、平、枯、平偏丰及平偏枯五个代表年。壹般应采用长系列径流资料进行计算； (2)水量选年法(年水量选年或蓄水期水量、供水期水量、供水期调节流量选年)精度较差。出力选年法(即用供水期的出力选年)精度较高，故以发电为主者常采用。

4.2保证出力计算 提示:(1)保证出力计算有按流量(等流量或变流量)调节计算和按出力(等出力或变出力)调节计算俩种。以发电为主初设阶段常采用精度较好的按出力调节计算的方法。 壹般常用的等出力的调节计算方法如下： 先假设壹个保证出力值N保，再逐月假设调节流量Q调，按N=AQ调H计算各月出力N(其中H为净水头，A为系数，初算可取8.3～8.5，初设阶段可根据可研阶段机组选取)，使其等于N保。当计算至供水期末，水库水位正好降到死水位时，则所假设的N保即为所求的保证出力。否则，则需重新假设N保，重新进行上述试算过程。见下表。 保证出力计算表(等出力调节) 入库 m3/s 调节 流量 m3/s 水库 蓄放 m3/(s月) 水库蓄水量 月末 m3/(s月) 水中 m3/(s月) 上游 水位 m 下游 水位 m 水 头 m 出 力 MW 年月 流量 水库的调节性能好的水电站在装机容量选择时，常采用更适应电力系统负荷季节性变化的变出力调节计算，即水电站按系统负荷要求发出各月的出力。其计算表格同上表； (2)在实际工作中，常遇到的情况是水电站放水既要满足下游综合利用用水要求，又要满足系统用电要求。这时应对不同月份按控制的要求下泄流量。

4.3多年平均发电量计算 提示:能够用代表年和长系列径流资料计算多年平均发电量。取各代表年发电量的均值或者取长系列发电量的均值做为多年平均发电量。

4.4水电站群的补偿调节计算

提示:水电站群的补偿调节，有水量补偿调节和出力补偿调节俩种。其目的是为了提高系统中水电站群的综合效益。 补偿调节能够使水电站的部分季节性电能转化为保证电能，从而提高水电站群总的发电效益。

4.4.1选择补偿水库的条件

(1)调节库容大，调节性能好者；

(2)调节性能相同时，优先选用综合利用要求简单者；

(3)调节性能和综合利用要求相同时，优先选用水头高、距用电中心较近或单位投资低者。 提示:补偿电站能够是壹个或几个。 4.4.2补偿调节计算方法 提示:通常采用时历法列表计算。既可按等出力，也可按变出力进行计算。方法步骤如下： (1)对被补偿电站利用本身的调节库容进行调节计算，用N=AQH公式求出各月平均出力N被； (2)假定壹个水电站群的总保证出力N总，扣除各月的N被，即得各月所需的补偿出力N补； (3)补偿水库按照各月的N补放水发电； (4)若补偿水库的综合利用要求都能满足，且到补偿期末其水位仍恢复至补偿起始水位，则所假定的N总即为所求之总保证出力。否则需重新假定N总，再进行计算； (5)对设计水电站不同特征值方案所计算出的水电站群总保证出力及各水电站逐月的平均出力，作为方案比较的基本资料。 之上为无水利联系的水电站群补偿调节计算。若是有水利联系则计算要复杂些。当补偿电站处于被补偿电站下游时，被补偿电站的调节计算和无水利联系的壹样，而下游电站的入库流量需根据上游电站的下泄流量进行修正。当补偿电站处于上游时，下游被补偿电站的入库流量受上游补偿电站发电的影响，计算就比较复杂了。

5洪水调节计算

提示:以发电为主的水库，洪水调节的主要任务是： (1)提供泄洪建筑物设计依据； (2)选择洪水起调水位(壹般以正常蓄水位为起调水位)； (3)确定各种标准的防洪库容和相应水位。 5.1设计依据

5.1.1水工建筑物的设计洪水标准：按SDJ12－78及补充规定和SDJ217－87的有关规定确定。

5.1.2下游防洪要求、上游重要厂矿防洪要求、防护对象、防洪标准和允许泄量。

5.1.3水库防洪运用方式，要确保水库的安全和实现下游防洪的要求。 提示:(1)下游若无防洪要求，防洪运用方式比较简单，水库超过壹定水位即可敞开泄洪设施泄洪，保证水库安全。下游若有防洪要求，则需拟定合理的水库运用方式，既要满足下游防洪要求，又要确保大坝安全，故需有控制的泄流。水库需确定防洪限制水位和防洪高水位。 (2)调洪计算中，当来水流量大于壹定防洪标准或库水位超出某个限制时，下泄量即不受限制。此时下泄量突然加大很多。当考虑对下游堤防和消能设施有不利影响时，应采用逐步加大泄量的方式。 (3)水库最大泄量，不应超过最大入库流量。当利用预报腾空库容或对双峰 型洪水的后峰腾空库容时，泄量可适当大于入库流量。

5.1.4汛期防洪限制水位选择 提示:(1)汛期防洪限制水位是汛期允许兴利蓄水的上限水位，且作为洪水的起调水位。要考虑对发电、水库淹没、泥沙冲淤及淤积部位、水库寿命、枢纽布置及水轮机运行条件等的影响，通过不同方案的效益和费用比较，综合分析确定。 (2)根据水情规律有时可分期逐级提高汛期限制水位以提高水库的发电效益； (3)汛期限制水位和正常蓄水位关系密切，俩者常结合进行选择； (4)在防洪、淹没、泥沙、枢纽布置等条件不变或相近的情况下，汛期限制水位选高些对发电和水轮机运行有利(其上限为正常蓄水位)。

5.2洪水调节计算方法

提示:用不稳定流进行洪水调节是严格的方法，但在实际工程设计中，采用简化的方法也能满足设计要求。故可按照“列表试算法”(见下表)编成电算程序进行计算。计算步骤如下： 水库调洪计算表 时间 t dh 入库 平均流量 m3/s 时段初 q1 m3/s 泄量 时段末 q2 m3/s 平均 m3/s 水库蓄水 量变化 m3 水库 蓄水量 V m3 水库 水位 Z m3 (1)已知初始时间t1、入库流量Q1、起调水位Z1和初始的水库蓄水量V1及时段初的 泄量q1； (2)假设时段末的泄量q2，算出平均泄量、水库蓄水量变化V、时段末的水库蓄水量V2，且根据V2查出时段末的Z2，根据Z2查出q2； (3)如计算的q2等于假设的q2则该时段的计算完毕；如不相等则需重新假设q2进行计算； (4)之上述时段末的q、V、Z做为第2个时段的初始值，继续进行计算； (5)计算出水库最高水位，它和起调水位间的库容即所需的防洪库容。

5.3洪水调节计算成果

(1)水库设计洪水位、校核洪水位、防洪高水位及汛期限制水位； (2)水库调洪库容和防洪库容；

(3)设计洪水时最大泄量及相应下游水位；校核洪水时最大泄量及相应下游水位； (4)水库淹没征地和移民要求的调洪成果。

6电力电量平衡

6.1电力电量平衡的原则

电力电量平衡要求全电力系统在电力、电量和调峰能力方面都达到供需平衡。电力电量平衡主要原则： 提示:有必要时，可进行分区电力电量平衡。

(1)优先充分利用已建水电站的容量和电量；

(2)各种电站要在满足调峰要求的前提下，首先利用设计水电站的容量和发电量，根据其可提供的电量(枯水时)和电力系统可利用的电量(丰水时)，确定在负荷图上的工作位置，以充分利用水能节省燃料。；

(3)根据各电站的特性合理分配备用容量； 提示:事故备用容量采用系统最大负荷的10%左右，壹般可按各类电站的工作容量比例分配。负荷备用容量采用系统最大负荷的2%～5%，且宜由靠近负荷中心的，且具有大水库和大机组的水电站担负。检修容量应根据全系统的电力平衡确定；各类电站的检修时间为：火电机组45天，水电机组30天，核电机组60天。多沙河流的水电站检修时间可适当增加。

(4)开机容量的允许最小技术出力，应小于或等于最小负荷；

(5)全系统开机容量中的可调容量(额定容量减去受阻容量)应大于或等于系统日最大负荷和旋转备用之和。旋转备用为全部负荷备用加壹半事故备用；

(6)水电站的运行方式应满足预定的综合利用要求。 6.2电力电量平衡的方法和步骤

6.2.1将参加调节计算和电力电量平衡的全部水电站的月平均出力乘以24h，算出各电站逐月的平均日电量，用各月的日电量在各月的最大日负荷曲线上进行电力电量平衡，确定各水电站的工作位置和相应的日电量。平衡中安排不上的电量即为强制弃水电量。

提示:已建电站的装机容量、检修安排、负荷及事故备用都应是已知的。其在负荷图上的工作位置用日负荷电量累积曲线可首先确定。设计水电站则根据本站的日电量和拟定的装机容量方案安排在负荷图上空闲的有利的位置(充分利用其容量和电量)。负荷图的其余空位则由火电填补。上述平衡完毕后应检查是否满足调峰和旋转备用的要求，若不满足，则应调整设计水电站的备用容量的安排和工作位置，直至满足为止。若已建水电站的安排不够合理也可进行适当的调整。这时设计水电站在平衡中所需的电量就是“被系统吸收利用的电量”。

6.2.2将各月最大负荷日电力电量平衡的结果放到年最大负荷图上，即得全系统的电力电量平衡图。

6.2.3将设计水电站在丰、平、枯三个代表年中各月的“被电力系统利用的电量”年均值即为设计水电站的电量效益。 提示:电力电量平衡的方法和精度要求，视设计水电站的规模及在电力系统中的作用、系统中电源组成、所掌握的各电站的基本资料情况等确定。

7正常蓄水位选择

7.1选择的原则 提示:正常蓄水位选择，应根据电力系统和其它部门的要求及水库淹(浸)没、水利资源利用、库尾泥沙淤积、坝址地形、地质、水工布置、施工条件、梯级影响、生态和环境保护等因素，拟定不同方案，通过技术经济比较及综合论证，选定合理的方案。 7.2选择工作内容和方法 7.2.1拟定方案

根据可行性研究阶段对正常蓄水位的选择成果和审查意见，拟定不同正常蓄水位方案。 7.2.2水能调节计算

根据初拟的水库运行方式和消落深度，进行各方案的径流调节计算(壹般用代表年或代表期进行等出力或变出力调节计算)，初拟方案装机容量、机组机型，算出各年逐月的库水位、发电流量、尾水位、水头、出力、电量以及保证出力和多年平均发电量。 7.2.3发电效益计算

(1)用保证出力，经电力电量平衡确定各方案的装机容量； 提示:正常蓄水位选择阶段，各方案确定装机容量的原则和方法应该壹致。如：各方案在负荷图上的工作位置应大致相应；各方案应遵循相壹致的电力电量平衡原则等。 (2)取各方案的必需容量的均值作为该方案的容量效益； (3)用丰、平、枯三个代表年计算多年平均发电量(扣除水库下泄流量大于机组引用流量部分的弃水电量)。 提示:对于水电比重较大的电网，水电站可能有强制弃水，故应进行各代表年的电力电量平衡计算多年平均发电量。

7.2.4工程费用和淹没指标 提示:费用包括基建投资和年运行费。基建投资应分年列出投资额，壹般由施工预算提出。水库淹没损失资料由水库专业提供。年运行费率根据已建电站调查统计和有关规程规范确定。

7.2.5方案经济比较 提示:(1)原则上应按国民经济评价结果进行比较。既可按照不同方案所含全部因素的费用和效益进行比较，也可仅就有关因素的费用和效益进行局部的对比； (2)以济比较的方法有差额内部收益率法、经济净现值法或经济净年值法、经济效益费用比法、费用现值法或年费用法。

7.2.6正常蓄水位选定

根据上述诸项计算分析和地质、泥沙、航运、水工、施工、生态和环境保护等专业的工作成果，经过综合比较论证选定正常蓄水位。 提示:(1)正常蓄水位是水库或水电站的主要特征值，它直接影响工程规模和其它特征值，且涉及的面广，情况复杂。既要全面考察，又要分清主次，抓住主要矛盾，同时采用逐步渐近的方法。即首先初步选定某些特征值(如消落深度、装机容量、机组机型等)进行不同正常蓄水位方案比选。在正常蓄水位初步选定的基础上选定其它特征值。当选定的这些特征值和初步选定的出入较大时，需再根据这些选定的其它特征值对原正常蓄水位比选或选定方案进行复核； (2)选择正常蓄水位时，要特别重视水库淹没，将淹没损失的大小和移民安置的难易程度作为方案比较的重要因素； (3)梯级开发电站应注意下游电站对上游电站尾水位的提高所损失的电力及电量； (4)多沙河流上，正常蓄水位应结合汛期排沙水位共同进行比较。

8死水位选择

8.1选择的原则

在正常蓄水位已定的情况下，选择死水位，应比较不同方案的电力、电量效益和费用，且考察其它部门对水位、流量的要求和泥沙冲淤、水轮机运行工况以及闸门制造技术对进水口高程的制约等条件，综合分析比较确定。 8.2选择工作内容和方法 8.2.1拟定方案 提示:通过对前阶段成果的分析和审查意见的研究，可大致确定死水位的变化范围，在此范围内拟定死水位比较方案，然后进行技术经济比较和综合分析论证。

8.2.2水利水能计算 提示:计算内容和方法和正常蓄水位选择壹样。

8.2.3发电效益计算 提示:计算方法同正常蓄水位选择。

8.2.4工程费用 提示:死水位的变化，可能影响水工、机电投资，因此需就不同死水位方案对工程总投资和相应运行费进行修正。

8.2.5方案比较选定

根据计算的各方案费用和效益进行经济比较，比较方法同正常蓄水位选择壹样。 依据经济比较的成果且考虑其它综合利用部门的要求以及库区泥沙冲淤、水轮机运行工况、闸门制造技术等进行综合分析选定死水位。 提示:(1)有时可不必做经济比较即能选定死水位。如综合利用部门要求的死水位高于发电最有利的死水位，则可按综合利用部门要求选取死水位。又如在满足综合利用部门要求的情况下，方案间的费用相差甚少，则可根据能量指标选取死水位； (2)死水位选择要重视库区泥沙淤积问题，由于库尾淤积上延可能造成大量淹没、浸没损失的情况下更需慎重。仍需考虑到泥沙的随机性，要留有充分的余地； (3)对国内已建成以发电为主的大、中型水电站的统计，其最有利消落深度壹般为最大水头的20%～40%，平均值约为30%。

9装机容量选择

9.1选择的原则

根据水库的调节性能、综合利用要求、系统负荷水平及其特性、水电站的供电范围及其在电力系统中的作用、水火电比重、各类电站的合理运行方式等方面的分析研究，进行各种代表年的电力、电量、调峰能力平衡，计算出各装机容量方案的容量、电量效益和费用，经综合比较确定装机容量。 提示:(1)以防洪、灌溉、航运或给水为主的工程，其水电站装机容量应根据主管部门的要求所制定的水库运行方式进行选择； (2)低水头水电站的装机容量选择，应特别注意洪水期水头降低，出力减少的影响； (3)单独供电的中型水电站及占系统容量比较小的水电站，其装机容量选择可采用简化方法。

9.2选择工作内容和方法 9.2.1拟定比较方案 提示:初设阶段主要是按照可行性研究阶段对装机容量选择成果和审查意见的要求，对前壹阶段工作的成果进行复核。既可就前阶段的各比较方案进行复核，也可在前阶段推荐方案上、下拟定若干方案进行复核。

9.2.2选定供电范围 提示:壹般应在流域规划和电力系统规划的基础上分析研究供电范围。此项工作应和电力系统的设计单位共同研究，必要时提出初步意见报上级批准。

9.2.3选择设计水平年和负荷水平

提示:(1)水电站的设计水平年可采用第壹台机组投入后的5年～10年年确定，也可经逐年电力电量平衡，选取水电站的效益达到设计值的年份。 (2)设计负荷水平既可采用电力系统发展规划中的预测成果，也能够和电力部门协商确定。 (3)目前，在各大电网用电普遍紧张，拉路限电比较严重的情况下，水电站建成后其发电容量和电量会立即被电力系统吸收。因此，其建成投产年份即可作为设计水平年。另外，为了和有关部门发展计划相适应，设计水平年最好能和国民经济发展计划相壹致。

9.2.4编制负荷曲线 提示:编制电力系统各月最大负荷曲线和各月平均负荷曲线及四季或冬、夏季典型日负荷曲线。若电力系统资料较多，又无特大型的电力用户投入，宜采用历史负荷曲线修改法编制典型日负荷曲线。 9.2.5经济比较 对各装机容量方案进行丰、平、枯代表年的电力、电量、调峰能力平衡，同时计算各方案的总费用(也可只计算各方案不同因素的费用)，取费用最小者为选中的方案。 提示:(1)结合机组机型及台数选择，最后选定装机容量； (2)电力、电量效益计算必要时根据选定的装机容量，用电力电量平衡的方法计算； (3)通航河道上的电站装要容量，应考虑下游调峰不稳定对装机容量的影响。

10应提供的设计成果

10.1按《水利水电工程初步设计报告编制规程》(SD5021－93)的要求，编写水利动能报告。 10.2水利动能特性表，见下表1

水利动能特性表 序号及名称 壹、水库 1.水库水位 校核洪水位 设计洪水位 正常蓄水位 防洪高水位(P= %) 汛期限制水位 死水位 2.正常蓄水位时水库面积 3.水库容积 总库容(校核洪水位以下库容) 正常蓄水位以下库容 调洪库容(校核洪水位至汛期限制水位) 防洪库容(防洪高水位至汛期限制水位) 单位 m m m m m m km2 108m3 108m3 108m3 108m3 数量 备注 P= % P= % 调节库容(正常蓄水位至死水位) 其中共用库容(正常蓄水位至汛期限制水位) 死库容 4.库容系数 5.调节性能 6.水量利用系数 序号及名称 二、下泄流量及相应下游水位 1.设计洪水位时最大泄量 相应下游水位 2.校核洪水位时最大泄量 相应下游水位 3.调节流量(P= %) 相应下游水位 4.最小流量 相应下游水位 三、工程效益指标 1.防洪效益 保护面积(或城镇、工矿区) 108m3 108m3 108m3 % % 单位 m3/s m m3/s m m3/s m m3/s m ha (或km2) 数量 备注 水电站为满载发电流量 发电基荷流量或最小通航流量 标准(P= %) 多年平均防护面积 ha (或km2) 2.发电效益 装机容量 保证出力(P= %) 多年平均发电量 年利用小时数 3.灌溉效益 面积(水田、旱地、草场等分列) 保证率(P= %) 最大引用流量 年用水总量(P= %) 4.治涝效益 面积 标准 排水流量 5.城市及工业供水效益 保证率(P= %) 最大引用流量 MW MW 亿kWh h kha m3/s 亿m3 kha P(%) m3/s m3/s 现标准(P= %) 年用水总量 6.航运效益(过木、竹效益) 改善航道里程 过船吨位(筏排尺寸) 设计年货运量(木、竹运量) 7.养殖效益 四、综合利用经济指标 水库单位库容投资 水电站单位千瓦投资 单位电能投资 亿m3 km t t/a t/a 元/m3 元/kW 元/(kWh) 各项投资构成及分摊 10.3应提供如下主要图纸

(1)工程总体规划布置图； (2)电力系统地理接线图；

(3)各设计水平年最大日、年电力负荷曲线图；电力和年电量平衡图； (4)不同正常蓄水位、不同死水位和水利、水能指标关系曲线图； (5)发电出力保证率曲线图；

(6)代表年、日电力系统电力电量平衡图； (7)水库水位面积、容积曲线； (8)水库调洪图；

(9)水库水位和泄洪建筑物泄洪能力关系曲线； (10)调节流量、水库水位和水头保证率曲线； (11)机组运转特性曲线； (12)水库多年运行特性图。